0 引　言

豪华邮轮、大型客滚船等布置型船舶，为满足船上人员及乘客的生活和娱乐需求，同时由于电缆、风管、空调等布置要求和控制全船重量重心的需要，腹板连续开孔的大跨度板架结构形式在此类船舶上被灵活应用，这也是此类船舶设计建造的关键难点之一^[1]。目前对连续开孔大跨度板架的研究较少。乔迟等^[2]通过对板架形式进行优化设计，提出双层甲板设计，以提高板架强度及刚度。黄茜等^[3]通过非线性有限元法，研究了连续开孔对强梁横向极限强度的影响。

对于连续开孔的大跨度板架结构，考虑到板架需承受甲板载荷，强梁需满足横向强度的要求，连续开孔可能会影响甲板板架的强度。另外，此类船舶甲板板厚均偏薄，整体刚度也偏弱，连续开孔也可能导致大的变形及振动问题，因此也需要对此类板架结构的变形量及动力学特性进行研究。

本文以某大型客滚船上层建筑某层甲板区域大跨度板架结构为研究对象,分别通过总强度与局部强度2种方法进行分析，并分别模拟了未开孔模型及开孔模型，应用有限元法进行计算对比分析，以此研究连续开口板架的静力学特性。另外也分析了各模型的固有频率及模态，对比分析连续开孔对大跨度板架动力学特性的影响。

1 腹板连续开孔在总强度中的模拟与分析 1.1 模拟方法

选取某大型客滚船上建区域连续开孔板架，典型强框开孔示例如图1所示。甲板板架上的腹板开孔，集中表现为开孔尺寸大，位置密集，排布规律，周边无加强结构等特点，开孔高度约占腹板总高度的 40%～60%，开孔边缘距离贯穿孔控制在150 mm以上且未设贯穿孔补板，距离面板控制在100 mm以上。

基于全船模型，采用粗网格（sxs）在所选取的大型板架区域进行模拟，为了方便对比开孔对计算结果的影响，未开孔的板架模型也进行了有限元分析。模型的具体模拟方法为：1）未开孔模型，腹板划分3个网格；2）基于未开孔模型去除腹板中间单元，模拟腹板连续开孔。具体如图2所示。

1.2 对比分析

基于以上模型，边界条件、载荷工况等保持不变，均按照BV船级社客船强度分析指南，进行全船模型强度分析^[4]。计算结果中选取应力水平及变形量最大的工况进行对比，具体结果如图3～图4所示，图中模型选取板架中间位置强框及纵桁。

从图3与图4结果可以看出：

1）连续开孔板架相比未开孔板架最大应力值从298 MPa增加到360 MPa(局部应力平均)。另外，由于粗网格无法正确模拟开孔导致周边畸形单元应力水平较高。

2）变形量方面，连续开孔板架与未开孔板架的最大变形值基本一致，均为160 mm，并且整个板架的变形趋势一致。

3）从板架腹板的应力分布情况可以看出，靠近面板位置处单元的应力值较大，所以腹板开孔尽可能远离面板。

4）基于分析结果，在总强度计算中，板架腹板开孔可以不模拟，避免畸形单元带来的应力失真。

2 腹板连续开孔在局部强度中的模拟与分析

由于粗网格无法准确反映开孔形状，所以其计算结果在开孔周边出现了应力集中现象，与实际情况不符。为了得到开孔周边准确的应力分布情况，需采用局部细网格模型，对关注区域进行细化并准确模拟开孔形状及周围结构。

2.1 模拟方法

考虑到板架连续开孔圆弧较小，并且开孔距离甲板纵骨贯穿孔较近，需考虑贯穿孔对腹板开孔周边应力的影响，所以采用精细网格（txt）进行模拟。具体细网格模型如图5所示。

2.2 对比分析

基于细化模型，采用子模型法，边界条件、载荷工况等均保持不变，基于粗网格结果，进行局部强度分析。计算结果中选取应力水平及变形量最大的工况进行对比，具体结果如图6与图7所示，图中模型选取板架中间位置强框及纵桁。

从图6与图7结果可以看出：

1）连续开孔板架相比未开孔板架最大应力值从353 MPa增加到512 MPa，最大应力出现在开孔周界处，由此可以得到腹板开孔导致的应力集中系数大概1.5左右，但是不同开孔形状会有所差异。

2）变形量方面，连续开孔板架相比未开孔板架最大变形值略有增加，趋势与粗网格结果基本一致。

3）横梁开孔周边的最大应力也出现在靠近面板区域，基于目标船设计，开孔距离贯穿孔在150 mm以上，从图8计算结果可以看出，贯穿孔对开孔周边应力影响不大，所以在进行局部强度分析时，若开孔远离贯穿孔时，可以考虑不模拟贯穿孔。

3 腹板连续开孔对板架固有特性的影响

大跨度板架结构基本布置在上建区域，其横梁和纵桁上的连续开孔，可能会影响到甲板板架的刚度，从而引起甲板振动问题。因此连续开孔板架的动态特性也是必须要关注的问题。

采用未开孔模型与开孔模型，通过计算分析，对其固有频率及模态进行对比。具体见表1与表2。

从表1与表2结果可以看出：

1）连续开孔板架相比未开孔板架固有频率有所降低，基频降低2.5%左右，并随着阶数的升高，差距不断增加。

2）两板架的模态基本一致，但是连续开孔板架的模态位移值明显增大，主要原因在于连续开孔对板架刚度的削弱。

3）在全船振动分析时，船体梁固有频率较低，连续开孔对板架刚度的降低可以忽略，所以没有必要模拟板架腹板连续开孔。但是对于局部振动，尤其是特别关注的区域，建议模拟出连续开孔进行固有特性分析。

4 结　语

本文以某大型客滚船为例，对腹板连续开孔的大跨度板架的静力及动力特性进行分析，得到如下结论：

1） 在总强度计算中，模型可以不反映腹板连续开孔，避免网格畸形带来的应力结果失真；可以取开孔周边应力集中系数为1.5～2，预估开孔后的应力水平。

2） 板架腹板开孔周围的高应力区域均在靠近面板处，所以腹板开孔应尽量远离面板。

3） 基于目标船设计，开孔距离贯穿孔150 mm以上，可判断贯穿孔对腹板开孔的应力分布基本没影响；若贯穿孔距离腹板开孔较近，需在局部细网格模型中模拟出贯穿孔。

4） 相比未开孔板架，腹板连续开孔的大跨度板架的固有频率略有降低，模态幅值增大，并随着阶数升高差距不断加大，所以在局部振动分析时，尤其是特别关注区域，建议模拟出连续开孔。

5） 对于大跨度板架的屈曲稳定性问题，有研究表明板架在结构屈服破坏前不会发生整体屈曲破坏^[5]。但腹板连续开孔的大跨度板架的屈曲稳定性需进一步研究。